流量计基础知识

流量计基础知识的思维导图，流量是指流经管道横截面的流体数量与该量通过该截面所用的时间之比，介绍了差压流量计、电磁流量计、质量流量计、超声波流量计的知识。欢迎使用~~

流量计

• 流量基础知识
  • 流量
    • 流量是指流经管道横截面的流体数量与该量通过该截面所用的时间之比
  • 体积流量和质量流量
    • 体积流量是指流体数量用体积来表示的流量。体积流量用公式表示:qv=V/t=ｕ×A，公式中：qv为体积流量，m3/s；V为单位流量体积，m3；t为单位时间，s；ｕ为管内平均流速，m/s；A为管道横截面积，m2
    • 质量流量是指流体数量用质量来表示的流量。质量流量可用公式表示：qm=m/t=ρ×ｕ×A，公式中qm为质量流量，kg/s；m为单位流体质量，kg；ρ为流体密度，kg/m3；t为单位时间，s；ｕ为管内平均流速，m/s；A为管道横截面积，m2
    • 体积流量和质量流量如何进行换算 1、若已知流量的质量流量，需要换算成体积流量，可用以下公式进行：qv=qm/ρ ，公式中qv为体积流量，m3/s；qm为质量流量，kg/s；ρ为流体密度，kg/m3。 2、若已知流体的体积流量，需要换算成质量流量，可用公式进行：qm=qv×ρ
  • 雷诺数
    • 定义
      • 雷诺数是流体流动的惯性力与粘滞力之比，表征流体流动特性的一个重要参数。公式为：Re=ρvd/η，其中v、ρ、η分别为流体的流速、密度与动力黏性系数，d为一特征长度。
    • 利用雷诺数可区分流体的流动是层流或湍流，也可用来确定物体在流体中流动所受到的阻力。雷诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈紊流（也称湍流）流动状态，一般管道雷诺数Re<2000为层流状态，Re>4000为紊流状态，Re=2000～4000为过渡状态。
  • 气体流量的标况与工况
    • 标况：1、温度20℃，一个大气压（101.325kPa）下的流量，单位;Nm3/h。 2、温度为0℃（273.15开尔文）和压强为101.325千帕（1标准大气压，760毫米汞柱），单位;Nm3/h。
    • 理想气体状态方程：pV=nRT。p是指理想气体的压强，V为理想气体的体积，n表示气体物质的量，而T则表示理想气体的热力学温度；还有一个常量：R为理想气体常数。PV/T=nR为常数，所以P1×V1/T1=P2×V2/T2
    • 工况下体积流量为V，温度T(摄氏度)，压力P(表压力，Mpa)，忽略压缩因子的变化有V*(P+0.101325)/(T+273)=V0*P0/T0
    • 压机额定产气量2立方/分钟，管道压力8公斤，实际管道的工况流量是多少？ 解答：粗略计算，假设压缩空气温度20度。 工况流量=2/(0.8+0.101325)*0.101325=0.2248立方/分钟 式中：0.101325是大气的绝对压力；0.8为管道压力，单位是MPa。
    • 氧气管道压力12公斤，工况流量10立方/小时，标况流量是多少？ 解答：假设温度为20度，不参与运算。 标况流量=10/0.101325*(1.2+0.101325)=128.43立方/小时 式中：0.101325是大气的绝对压力；1.2为管道压力，单位是MPa
• 差压流量计
  • 工作原理
    • 节流式差压流量计由三部分组成,即节流装置、差压变送器和流量显示仪表
    • 充满管道的流体, 当它流经管道内的节流件时,流束在节流件处形成局部收缩, 此时 流速增大, 静压降低, 在节流件前后产生差压, 流量越大, 差压越大, 因而可依据差压来衡量流量的大小。 这种测量方法是以流动连续性方程 ( 质量守恒定律)和伯努利方程 ( 能量守恒定律) 为基础的。 差压的大小不仅与流量有关, 还与其他许多因素有关, 如节流装置形式、管道内流体的物理性质 ( 密度、黏度) 及流动状况等。
  • 安装方式
    • “小进大出”是仪表行业人员对于孔板安装流向的常用语， 其意思是孔板的锐边应迎着被测流体的流向， 使流体从孔板的上游端流向孔板的下游端面。
    • 对于标准孔板、圆缺孔板和偏心孔板都是正确的， 然而 1 /4 圆孔板和锥形入口孔板却恰恰相反，它们开孔的锋利端必须背着被测流体的流向， 是“大进小出”。
  • 多孔平衡与标准孔板对比
• 电磁流量计
  • 工作原理
    • 测量原理是基于法拉第电磁感应定律。即：导电液体在磁场中作切割磁力线运动时，导体中产生感应 电动势，其感应电势 E 为：E = KBVD 式中： K 为仪表常数； B 为磁感应强度； V 为测量管截面内的平均流速； D 为测量管的内径
    • 在电磁流量计测量流量时，流体流过垂直于流动方向时产生磁场，导电性液体的流动感应出一个与平均流速 ( 亦即体积流量 ) 成正比的电压，其感应电压信号通过两个与液体直接接触的电极检出，并通过专用信号电缆传送至信号放大器，最终转换成统一的输出信号
  • 优点
    • 1、测量不受流体密度、黏度、温度、压力等工况条件的影响
    • 2、测量管内任何无节流元件，所以介质流过时，不会造成压损，直管段要求与其他形式流量计相比相对较低
    • 3、具有良好的耐腐蚀和耐磨损特性
    • 4、功耗相对其他形式的流量计相对较低、零点稳定、精确度较高
  • 缺点
    • 1、无法测量气体、蒸汽以及含有大量气体的介质
    • 2、基本无法测量电导率很低或者不导电的液体介质
    • 3、会受到周围强磁场的影响
  • 选型
    • 量程及口径
      • 电磁流量计的量程较宽，量程比达到100:1，选择量程时要满足两个条件：满量程要高于液体的最大流量值； 液体正常流量值高于满量程的50%。在口径选择上，主参考液体流速，通常在2-4m/s；若液体中含有固体颗粒，则流速应不大于3m/s；若液体粘附管壁，则流速应不大于2m/s
    • 电极
      • 被测介质及其他可能存在的其他介质
    • 衬里
      • PTFE
        • -40 ～ 180 ℃，酸碱等强腐蚀性介质
      • 氯丁橡胶
        • -5～ 80 ℃，一般的水、污水、泥浆、矿浆
    • 接地环
      • 普通接地环，保护接地环，用于保护 PTFE 翻边不受损伤及带颈接地环，适用于磨损性介质，保护端部衬里，延长传感器寿命 ( 建议与仪表一起订货和标定，否则可能影响精度 )，接地环材质：不锈钢、哈氏合金、钽等
  • 选用原则
    • 1、满量程要大于预计量程，流量大于满量程1/2
    • 2、上下游直管要求，上游至少5D，下游至少3D
    • 3、可靠接地，电阻要小于10Ω
    • 4、接地极和接地环
    • 5、抗电磁干扰和振动
    • 6、必要时安装整流器
    • 7、流量计管道内，要一直有液体存在，不能空管
• 质量流量计
  • 计算公式
    • 质量流量＝密度×流速×流通面积（M=ρνA ）
  • 优势
    • 1、其抗腐蚀、抗污、防爆、耐磨等问题已经满意地得到解决，因此可以测量范围广泛的介质，如油品、化工介质、造纸黑液、浆体、气体、固体颗粒的流体以及高粘度的物体。
    • 2、管道内无障碍物，无可动部件，故障因素少，便于清洗、维护和保养。
    • 3、安装简便，各种尺寸的传感器管子的进出口方向可随意调动安装：调整、使用方便，不必配置进出口的直管段。
    • 4、能较容易地测量多相流体。
    • 5、多参数测量，在测量质量流量的同时，可以同时获取体积流量、温度及密度等；对于影响量，如压力、温度、密度和粘度以及流速分布等不敏感。
  • 缺点
    • 1、科氏质量流量计不能用于测量低密度介质和低压气体；液体中含气量超过某一限制（按型号而异）会显着著影响测量值
    • 2、科氏质量流量计零点不稳定形成零点漂移，影响其精确度的进一步提高，使得许多型号仪表只得采用将总误差分为基本误差和零点不稳定度量两部分。
    • 3、不能用于较大管径，目前尚局限于150（200）mm以下。
    • 4、科氏质量流量计对外界振动干扰较为敏感，为防止管道振动影响，大部分型号科式质量流量计的流量传感器安装固定要求较高。
    • 5、压力损失较大，与容积式仪表相当，有些型号科式质量流量计甚至比容积式仪表大100%。
    • 6、测量管内壁磨损腐蚀或沉积结垢会影响测量精确度，尤其对薄壁管测量管的科式质量流量计更为显着。
    • 7、大部分型号科式质量流量计重量和体积较大,价格昂贵。
  • 选型注意事项
    • 介质方面
      • 气体、液体、气液两相
      • 精度：气体一般为0.5%，液体一般为0.2%
    • 口径方面
      • 满足用户流量测量要求，还要考虑到粘度，压损要求
    • 材料方面
      • 考虑防腐蚀性，流体属性（例如，温度、浓度、杂质量等）的微小改变，更可能会影响接液部件的相容性
    • 操作温度计压力方面
      • 一般情况下，超过180℃，选型为分体型，并且传感器相关的元器件选用高温型的，其余情况下可以选择为一体型；如果高温情况下选型为一体型，流量计的电子元件会因为高温的原因损坏，从而造成流量计的故障。
      • 质量流量计的流量管和法兰都会有一定的承受压力，比如法兰有1.6MPa、2.5MPa、4MPa、6.3MPa等，流量管有10MPa，35MPa等，选型时流量计的流量管压力以及法兰的公称压力一定要大于用户的操作压力，要留出一部分冗余量。
    • 缩径
      • 在选型的同时，还要关注用户最初管道的尺寸，在根据其他技术参数选择相对应的口径时，考虑到压损和现场施工等方面因素，同时也要兼顾缩径的问题。一般情况下管径可以缩径一级，最多缩径为管道口径的一半，比如用户管道口径为DN80，则选择流量计的口径最小可以为DN40。有时也会碰到特殊情况，即如果为保证缩径要求，从流量上无法满足精度要求的话，需要和用户进行协商，确认好现场的情况和要求
• 超声波流量计
  • 基本原理
    • 人类耳朵 最高能听到大约20kHz频率的声波，所以频率大于20kHz的超过了人类的听力范围上限 值的机械波被称为超声波。
    • 超声波流量计是基于流体流动过程中对其内部声波信号产生影响，并通过检查声波信号的变化来获取流量信息。当被测介质处于不同的流速状态时，超声波脉冲在其内部的传播速度相对固定的坐标系统（如仪表壳体）是不同的，传播速度的变化量和介质的运动速度有关。
  • 测量方法
    • 传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、相关法以及噪声法等类型
  • 传播速度差法
    • 传播速度差法采用了超声波脉冲顺流和逆流传播时速度之差来反映流体的流速，实现测量流速的目的
  • 误差原因
    • （1）超声传播时延估计使用的时间基准误差。 （2）超声的实际传播长度误差。 （3）安装效应导致面平均流速测量误差。 （4）信号失真导致的流场信息获取不准确
  • 流量计减小误差的方法
    • （1） 测量位置应选在探头上游大于 10D 和下游大于 5D，充满液体的直管段处，测量气体上游直管段最小为20D。
    • （2）测量点选择应尽可能远离泵、阀门等设备，避免干扰。因要尽可能测量平直流体，避免紊流带来的测量误差
    • （3）传感器在水平管线上安装时，应与垂直线有最小 20°的夹角。以避免气体在管道顶部聚集时产生的波束干扰
    • （4）避免在雷诺数过渡区测量，当 1000<Re<5000 可以获得最好精度
    • （5）测量点处应无焊缝，无振动及无电磁干扰源等；为减小误差，管道外径及壁厚应进行多点测量后取其平均值
    • （6）管路管材应均匀密实，易于超声波传播
    • （7） 必须把待安装换能器的金属管道表面打磨 3 倍探头面积，去掉锈迹油漆，使管壁表面光滑平整，露出管道金属的原有表面并保持原有弧度
    • （8）气体超声波流量计与液体超声波流量计相比，测量信号更容易受到噪音信号干扰，如果信噪比在 10:1 以下，就无法准确测量
    • （9）充分考虑管内硫沉积，结垢和腐蚀等状况，尽可能选择管内无沉积物，无腐蚀的管段进行测量
    • （10）夹具应固定在换能器的中心部分，使之不易滑动